朔黃鐵路再生制動(dòng)能量利用及節(jié)能分析

楊雪凇，黃 文，李 劍，岳 巖

0 引言

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊市黃驊港口站，基本呈西東走向，正線全長(zhǎng)594.132 km，共設(shè)車(chē)站34座，為國(guó)家Ⅰ級(jí)干線、雙線重載電氣化鐵路[1]。

朔黃鐵路西與神朔、南北同蒲鐵路相連，東與京九鐵路、黃萬(wàn)鐵路和黃驊港連接，是我國(guó)西煤東運(yùn)第二大通道，在全國(guó)路網(wǎng)中占有重要地位。線路與神朔鐵路接軌后，為大規(guī)模開(kāi)發(fā)神府東勝煤田創(chuàng)造了條件，對(duì)加快沿線地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保證華東及東南沿海地區(qū)能源供應(yīng)具有極其重要的戰(zhàn)略意義。如何實(shí)現(xiàn)重載鐵路的高效節(jié)能，提升運(yùn)營(yíng)效益，已成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，其中再生制動(dòng)能量利用對(duì)于電氣化鐵路的高效節(jié)能意義重大。

1 再生制動(dòng)能量產(chǎn)生原理及流向

1.1 機(jī)車(chē)再生制動(dòng)能量產(chǎn)生原理

再生制動(dòng)能量來(lái)自線路中運(yùn)行的電力機(jī)車(chē)。目前朔黃鐵路實(shí)際運(yùn)行的機(jī)車(chē)車(chē)型包括和諧系列（HXD1）和韶山系列（SS4B）兩種。按照主電路結(jié)構(gòu)，HXD1系列交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)采用了最新一代傳動(dòng)技術(shù)，主要由機(jī)車(chē)變壓器、四象限變流器、中間直流環(huán)節(jié)、三相交流牽引電機(jī)等組成。當(dāng)列車(chē)處于制動(dòng)模式時(shí)，三相交流牽引電機(jī)可實(shí)現(xiàn)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；四象限變流器采用IGBT全控型核心器件，可實(shí)現(xiàn)控制能量的雙向流動(dòng)，因此能夠通過(guò)再生制動(dòng)方式將能量反送至牽引網(wǎng)。而SS4B機(jī)車(chē)采用交直主電路結(jié)構(gòu)，為上一代傳動(dòng)系統(tǒng)，采用晶閘管半控橋整流電路串聯(lián)調(diào)壓方式，不含全控橋，無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制能量的雙向流動(dòng)，因此不能反送再生能量[2]，需增加車(chē)載電阻以消耗多余制動(dòng)能量。因此，HXD1機(jī)車(chē)是朔黃鐵路再生制動(dòng)能量的主要來(lái)源。

1.2 機(jī)車(chē)再生制動(dòng)能量流向

牽引供電系統(tǒng)再生制動(dòng)能量的多少以及再利用情況受線路坡度、行車(chē)密度及車(chē)型等因素的影響。針對(duì)電氣化鐵路和城市軌道交通，再生制動(dòng)能量的流動(dòng)軌跡也有所不同。

電氣化鐵路中，電力機(jī)車(chē)再生制動(dòng)能量主要存在以下兩種流向：被同一供電臂內(nèi)電力機(jī)車(chē)?yán)煤头祷刂岭娏ο到y(tǒng)。由于電氣化鐵路牽引網(wǎng)上存在電分相，電力機(jī)車(chē)再生制動(dòng)能量最初只能在機(jī)車(chē)所處的供電臂范圍內(nèi)流動(dòng)，若該供電臂內(nèi)存在其他相鄰機(jī)車(chē)（牽引模式下），則再生制動(dòng)能量利用率將大大增加。若該供電臂內(nèi)不存在其他相鄰機(jī)車(chē)或相鄰機(jī)車(chē)處于制動(dòng)模式，則再生制動(dòng)能量將無(wú)法被合理利用，可能造成牽引網(wǎng)電壓升高，此時(shí)，再生制動(dòng)能量將通過(guò)牽引變電所饋線流入27.5 kV母線，再穿越牽引變壓器繞組進(jìn)入電力系統(tǒng)，由于電力公司通常采用電能返送正計(jì)或返送不計(jì)的電費(fèi)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[3，4]，且這部分能量存在電能質(zhì)量問(wèn)題，因此該情況對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)單位十分不利。

城市軌道交通一般采用雙邊供電、直流牽引，牽引網(wǎng)上雖然不存在電分相，但在牽引所首端牽引網(wǎng)上存在電分段，電力機(jī)車(chē)再生制動(dòng)能量最初在相鄰2個(gè)牽引所之間流動(dòng)，雖然牽引所間距較小，但地鐵行車(chē)密度大，且在每個(gè)區(qū)間都會(huì)啟動(dòng)和制動(dòng)，因此區(qū)間普遍存在再生制動(dòng)能量且被利用情況較好。剩余未被利用的能量一部分可通過(guò)牽引所饋線進(jìn)入牽引所正極直流母線，再經(jīng)過(guò)正極直流母線上的其他饋線進(jìn)入相鄰供電區(qū)間為機(jī)車(chē)供電；另一部分能量可通過(guò)牽引所內(nèi)的再生能量回饋裝置饋送至中壓網(wǎng)絡(luò)，再由中壓網(wǎng)絡(luò)輸送至相鄰牽引、降壓所供電，或反饋至上一級(jí)，最終進(jìn)入電力系統(tǒng)[5，6]。

綜上所述，無(wú)論是電氣化鐵路還是城市軌道交通，再生制動(dòng)能量利用率嚴(yán)重依賴(lài)于負(fù)荷類(lèi)型和行車(chē)運(yùn)行組織，合理的車(chē)輛組合和行車(chē)組織密度將直接影響線路運(yùn)營(yíng)成本。

現(xiàn)針對(duì)重載鐵路、高速鐵路和城市軌道交通3種不同類(lèi)型的線路對(duì)再生制動(dòng)能量特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

從表1可以看出，對(duì)于不同類(lèi)型的牽引負(fù)荷，影響其產(chǎn)生再生制動(dòng)能量的因素有所差異，再生制動(dòng)能量的利用效果也將受到影響。

2 朔黃鐵路牽引供電系統(tǒng)仿真建模

朔黃鐵路正線由神池南至黃驊港，其中上行的神池南—定州西段坡道集中，海拔迅速降低，定州西以東線路海拔繼續(xù)緩慢下降，但地勢(shì)已大大趨于平坦，逐步進(jìn)入平緩的大平原區(qū)段。

年運(yùn)量為3.5億噸時(shí)，朔黃鐵路公司將以開(kāi)行2萬(wàn)噸、1.5萬(wàn)噸列車(chē)和1萬(wàn)噸列車(chē)為主。列車(chē)的操縱方式受地形和線路條件影響。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)：神池南—黃驊港為上行方向，列車(chē)編組重載出站后，機(jī)車(chē)牽引萬(wàn)噸列車(chē)從高海拔至低海拔走行連續(xù)長(zhǎng)大坡道；神池南—定州西區(qū)段，制動(dòng)工況約占操縱總時(shí)長(zhǎng)的80%以上，牽引工況約占操縱總時(shí)長(zhǎng)的10%，剩余時(shí)間為怠行工況；經(jīng)過(guò)定州西之后則正好相反，牽引工況占操縱總時(shí)長(zhǎng)超過(guò)90%，而制動(dòng)工況占操縱總時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)5%，其余時(shí)間為怠行工況。黃驊港—神池南為下行方向，列車(chē)空載出站，機(jī)車(chē)牽引編組駛向高海拔終點(diǎn)，其全程牽引工況約占90%以上，剩余為怠行工況，正常行駛中，幾乎可全程不使用主動(dòng)制動(dòng)。

2.1 仿真目標(biāo)

現(xiàn)以朔黃鐵路神池南—定州西段為例，模擬以50% HXD1機(jī)車(chē)和50% SS4B機(jī)車(chē)上線配比作為初始值（工況一），按15 min追蹤間隔交錯(cuò)運(yùn)行模擬一次，分析線路用電數(shù)據(jù)及再生電能利用率；在相同運(yùn)力下，每增加10% HXD1機(jī)車(chē)上線比例（工況二—工況六），重新規(guī)劃行車(chē)對(duì)數(shù)和牽引組合方式，按相同追蹤間隔模擬運(yùn)行若干次，直至全部HXD1機(jī)車(chē)上線，對(duì)上述6種工況用電數(shù)據(jù)和再生電能利用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比對(duì)；全部采用交直交機(jī)車(chē)上線時(shí)，如果再生電能利用率顯著不足，進(jìn)一步考察在該區(qū)段的上坡一行增加空載車(chē)輛密度的可行性，進(jìn)行假設(shè)、簡(jiǎn)化，并重新規(guī)劃后進(jìn)行模擬，尋找可能的節(jié)能效果最大值。

根據(jù)以上模擬，尋找該線路機(jī)車(chē)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最佳方式，得出相應(yīng)的節(jié)能效果數(shù)據(jù)。

2.2 模型建立

利用OpenTrack和OpenPowerNet軟件針對(duì)朔黃鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，需輸入如下基礎(chǔ)資料：

（1）線路資料。根據(jù)全線線路平、縱斷面設(shè)計(jì)資料輸入線路長(zhǎng)度、線路坡度、轉(zhuǎn)彎半徑、局部地區(qū)限速要求、車(chē)站數(shù)量和位置等信息，實(shí)現(xiàn)軌道網(wǎng)絡(luò)化布局。

（2）車(chē)輛參數(shù)。包括車(chē)輛類(lèi)型（機(jī)車(chē)和拖車(chē)）、長(zhǎng)度、載重、牽引額定功率和最大再生制動(dòng)功率、機(jī)車(chē)牽引特性曲線、機(jī)車(chē)電制動(dòng)特性曲線、最大加/減速度、空氣阻力公式等，以建立列車(chē)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）牽引供電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。包括供電方式、牽引變電設(shè)施數(shù)量和分布、變壓器容量、牽引網(wǎng)阻抗參數(shù)等。

（4）行車(chē)組織。根據(jù)實(shí)際行車(chē)密度輸入列車(chē)車(chē)次、追蹤時(shí)分，搭建行車(chē)組織模型，以建立時(shí)刻表數(shù)據(jù)庫(kù)，管理用戶(hù)要求的列車(chē)離站時(shí)間、最小停站時(shí)間、列車(chē)間的銜接關(guān)系和其他仿真過(guò)程中的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。

3 仿真分析

為模擬朔黃鐵路不同車(chē)型的單車(chē)電流、牽引網(wǎng)電壓以及機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)行功率情況，對(duì)1列HXD1車(chē)和1列SS4B車(chē)分別進(jìn)行仿真分析（在1 h內(nèi)），仿真結(jié)果如圖1—圖4所示。

圖1 HXD1單列機(jī)車(chē)牽引電流、電壓水平

圖2 HXD1單列機(jī)車(chē)牽引功率

圖3 SS4B單列機(jī)車(chē)牽引電流、電壓水平

圖4 SS4B單列機(jī)車(chē)牽引功率

從上圖可知1列HXD1、SS4B機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)相關(guān)關(guān)鍵指標(biāo)如表2所示。

表2 HXD1、SS4B機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)相關(guān)參數(shù)

通過(guò)對(duì)表2中牽引網(wǎng)最高、最低電壓指標(biāo)對(duì)比可知，牽引網(wǎng)實(shí)際電壓明顯高于牽引網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓（25 kV），說(shuō)明機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間處于再生制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)能量反饋至牽引網(wǎng)使得網(wǎng)壓抬升明顯。由于朔黃鐵路運(yùn)行的SS4B車(chē)型沒(méi)有再生制動(dòng)模塊，因此再生能量全部由HXD1車(chē)型提供。由表2中電流、功率指標(biāo)對(duì)比可知，兩種車(chē)型在同一線路條件下運(yùn)行參數(shù)具有較大的差異性，HXD1機(jī)車(chē)牽引電流、牽引功率明顯高于SS4B機(jī)車(chē)，因此HXD1機(jī)車(chē)為主要能耗負(fù)荷。

現(xiàn)對(duì)工況一—工況六進(jìn)行仿真，得到神池南—定州西段牽引變電所實(shí)際運(yùn)行總功率，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 牽引變電所總功率分布情況

根據(jù)以上仿真結(jié)果，對(duì)朔黃鐵路神池南—定州西段牽引能耗及再生電能等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

由表3可以看出：隨著HXD1機(jī)車(chē)對(duì)數(shù)逐漸增加、SS4B機(jī)車(chē)對(duì)數(shù)逐漸減少，在高峰小時(shí)內(nèi)機(jī)車(chē)追蹤時(shí)間保持不變的情況下，全線由機(jī)車(chē)電制動(dòng)產(chǎn)生的再生電量利用率呈逐漸上升趨勢(shì)；對(duì)于工況一—工況四，隨著HXD1機(jī)車(chē)的不斷增加，再生能量利用率平穩(wěn)緩慢上升；對(duì)于工況四—工況六，隨著HXD1機(jī)車(chē)的不斷增加，再生能量利用率上升趨勢(shì)較明顯，當(dāng)全部為HXD1機(jī)車(chē)時(shí)達(dá)到頂峰。

表3 牽引能耗及再生電能數(shù)據(jù)

朔黃鐵路神池南—定州西段共設(shè)有9個(gè)牽引變電所，對(duì)各變電所電度電費(fèi)按0.487 2元/kW·h估算。工況一時(shí)變電所在高峰小時(shí)共消耗電能16.874萬(wàn)kW·h，其中再生電能為5.265萬(wàn)kW·h，節(jié)約電度電費(fèi)為2.565萬(wàn)元，占比達(dá)31%；工況二時(shí)變電所在高峰小時(shí)共消耗電能17.519萬(wàn)kW·h，其中再生電能為5.973萬(wàn)kW·h，節(jié)約電度電費(fèi)為2.910萬(wàn)元，占比達(dá)34%；工況三時(shí)變電所在高峰小時(shí)共消耗電能18.116萬(wàn)kW·h，其中再生電能為6.486萬(wàn)kW·h，節(jié)約電度電費(fèi)為3.160萬(wàn)元，占比達(dá)36%；工況四時(shí)變電所在高峰小時(shí)共消耗電能19.484萬(wàn)kW·h，其中再生電能為7.208萬(wàn)kW·h，節(jié)約電度電費(fèi)為3.512萬(wàn)元，占比達(dá)37%；工況五時(shí)變電所在高峰小時(shí)共消耗電能20.062萬(wàn)kW·h，其中再生電能為8.237萬(wàn)kW·h，節(jié)約電度電費(fèi)為4.013萬(wàn)元，占比達(dá)41%；工況六時(shí)變電所在高峰小時(shí)共消耗電能21.195萬(wàn)kW·h，其中再生電能為10.531萬(wàn)kW·h，節(jié)約電度電費(fèi)為5.131萬(wàn)元，占比達(dá)50%。因此，仿真結(jié)果顯示本線機(jī)車(chē)產(chǎn)生的再生能量可以較好地被相鄰機(jī)車(chē)?yán)茫瑥亩M可能少返送回電網(wǎng)，節(jié)省了電度電費(fèi)。

4 建議

（1）由于機(jī)車(chē)電制動(dòng)產(chǎn)生的再生電能利用率隨著HXD1機(jī)車(chē)對(duì)數(shù)增加呈逐漸上升趨勢(shì)，因此建議在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中盡量安排HXD1機(jī)車(chē)上線運(yùn)行。

（2）全部為HXD1機(jī)車(chē)時(shí)再生能量利用率已達(dá)到50%，從經(jīng)濟(jì)性角度分析，建議不設(shè)置再生制動(dòng)能量存儲(chǔ)或回饋裝置。

（3）建議機(jī)車(chē)的追蹤運(yùn)行間隔時(shí)分控制在15 min以?xún)?nèi)，使每個(gè)供電臂大概率至少存在2對(duì)機(jī)車(chē)同時(shí)運(yùn)行，以保證再生能量被更多機(jī)車(chē)吸收利用，減少電能消耗。